JP6305432B2 - 摺動部品 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、メカニカルシール、軸受、その他、摺動部に適した摺動部品に関する。特に、摺動面に流体を介在させて摩擦を低減させるとともに、摺動面から流体が漏洩するのを防止する必要のある密封環または軸受などの摺動部品に関する。
摺動部品の一例である、メカニカルシールにおいて、その性能は、漏れ量、摩耗量、及びトルクによって評価される。従来技術ではメカニカルシールの摺動材質や摺動面粗さを最適化することにより性能を高め、低漏れ、高寿命、低トルクを実現している。しかし、近年の環境問題に対する意識の高まりから、メカニカルシールの更なる性能向上が求められており、従来技術の枠を超える技術開発が必要となっている。
そのような中で、例えば、水冷式エンジンの冷却に用いられるウォーターポンプのメカニカルシールにおいては、時間の経過とともに不凍液の１種であるＬＬＣの添加剤、例えばシリケートやリン酸塩など（以下、「堆積物発生原因物質」という。）が、摺動面で濃縮され、堆積物が生成されメカニカルシールの機能が低下するおそれのあることが本件発明者において確認された。この堆積物の生成は薬品やオイルを扱う機器のメカニカルシールにおいても同様に発生する現象と考えられる。
そのような中で、例えば、水冷式エンジンの冷却に用いられるウォーターポンプのメカニカルシールにおいては、時間の経過とともに不凍液の１種であるＬＬＣの添加剤、例えばシリケートやリン酸塩など（以下、「堆積物発生原因物質」という。）が、摺動面で濃縮され、堆積物が生成されメカニカルシールの機能が低下するおそれのあることが本件発明者において確認された。この堆積物の生成は薬品やオイルを扱う機器のメカニカルシールにおいても同様に発生する現象と考えられる。
従来のメカニカルシールにおいては、摺動面の摩擦発熱による摩耗や焼損の発生を防止するために、摺動面に流体層を形成させるべく流体導入溝を形成したものが知られている（例えば、特許文献１、２、３参照。）が、漏れ及び摩耗の低減に加えて、摺動面における堆積物の生成を防止するための方策を講じたものは提案されていないのが現状である。
本発明は、密封と潤滑という相反する条件を両立させつつ、摺動面に対して流体を積極的に取り入れ、摺動面から排出させることにより、摺動面における堆積物発生原因物質の濃縮を防止し、ひいては堆積物発生を防止し、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持させることのできる摺動部品を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため本発明の摺動部品は、第１に、一対の摺動部品の互いに相対摺動する摺動面の少なくとも一方側には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されると共に前記摺動面の周方向にランド部で隔離されて複数設けられており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分には正圧発生機構が設けられ、前記複数の流体循環溝の間の低圧流体側には負圧発生機構が設けられ、さらに、前記複数の流体循環溝の間の高圧流体側には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部と前記出口部とを連通する連通部から構成される補助用流体循環溝が設けられ、前記補助用流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分には補助用正圧発生機構が設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、流体循環溝により摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留が防止され、ひいては堆積物の形成が防止され、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持することができる。その際、流体循環溝はランド部により低圧流体側と隔離されているため、流体循環溝から低圧流体側への流体の漏洩を低減できると共に、静止時における漏洩も防止できる。また、同時に、正圧発生機構により、摺動面間の流体膜を増加させることにより潤滑性能を向上させ、摺動面間の流体の循環をより一層促すことができる。
さらに、摺動面の径方向低圧流体側に配設された負圧発生機構により、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を取り込み、流体循環溝を介して高圧流体側に戻し、密封性を向上させることができる。
さらに、摺動面の径方向高圧流体側に配設された補助用流体循環溝により、周方向に隔離された複数の流体循環溝間の摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留を、一層、防止することができる。また、同時に、補助用正圧発生機構により、正圧発生機構の正圧発生領域以外の領域をカバーすることができ、摺動面間の流体の循環を満遍なく促すことができる。
この特徴によれば、流体循環溝により摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留が防止され、ひいては堆積物の形成が防止され、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持することができる。その際、流体循環溝はランド部により低圧流体側と隔離されているため、流体循環溝から低圧流体側への流体の漏洩を低減できると共に、静止時における漏洩も防止できる。また、同時に、正圧発生機構により、摺動面間の流体膜を増加させることにより潤滑性能を向上させ、摺動面間の流体の循環をより一層促すことができる。
さらに、摺動面の径方向低圧流体側に配設された負圧発生機構により、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を取り込み、流体循環溝を介して高圧流体側に戻し、密封性を向上させることができる。
さらに、摺動面の径方向高圧流体側に配設された補助用流体循環溝により、周方向に隔離された複数の流体循環溝間の摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留を、一層、防止することができる。また、同時に、補助用正圧発生機構により、正圧発生機構の正圧発生領域以外の領域をカバーすることができ、摺動面間の流体の循環を満遍なく促すことができる。
また、本発明の摺動部品は、第２に、第１の特徴において、前記正圧発生機構は、レイリーステップ機構から構成され、前記レイリーステップ機構を構成する正圧発生溝は前記流体循環溝の前記入口部に連通されると共に前記連通部及び出口部並びに前記高圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に適した正圧発生機構を容易に形成することができる。また、正圧発生機構は、流体循環溝の入口部を利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
この特徴によれば、摺動面に適した正圧発生機構を容易に形成することができる。また、正圧発生機構は、流体循環溝の入口部を利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
また、本発明の摺動部品は、第３に、第１または第２の特徴において、前記負圧発生機構は、逆レイリーステップ機構から構成され、前記逆レイリーステップ機構を構成する負圧発生溝は前記流体循環溝の前記入口部に連通されると共に前記連通部及び出口部並びに前記低圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面に適した負圧発生機構を容易に形成することができる。また、負圧発生機構は、流体循環溝の入口部又は連通部を利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
この特徴によれば、摺動面に適した負圧発生機構を容易に形成することができる。また、負圧発生機構は、流体循環溝の入口部又は連通部を利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
また、本発明の摺動部品は、第４に、第１ないし３のいずれかの特徴において、前記補助用正圧発生機構は、レイリーステップ機構から構成され、前記レイリーステップ機構を構成する補助用の正圧発生溝は、前記補助用流体循環溝の前記入口部に連通されると共に前記補助用流体循環溝の前記連通部及び出口部並びに前記高圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴としている。
この特徴によれば、きわめて限られた位置に適した補助用正圧発生機構を容易に形成することができる。また、補助用正圧発生機構は、補助用流体循環溝の入口部を利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
この特徴によれば、きわめて限られた位置に適した補助用正圧発生機構を容易に形成することができる。また、補助用正圧発生機構は、補助用流体循環溝の入口部を利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
また、本発明の摺動部品は、第５に、第１ないし３のいずれかの特徴において、前記補助用正圧発生機構は、ブロック溝機構から構成され、前記ブロック溝機構を構成する補助用のブロック溝は、周方向に配設された複数の矩形溝からなり、上流側の矩形溝は前記補助用流体循環溝の前記入口部及び前記高圧流体側に連通されると共に前記補助用流体循環溝の連通部及び出口部とはランド部により隔離され、他の矩形溝は前記高圧流体側にのみ連通されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面のうねりによる動圧特性への影響を小さくすることができる。また、補助用流体循環溝が万一埋まったときでも高圧流体側から流れ込む流体により動圧が発生するため、ロバスト性を高くすることができる。
この特徴によれば、摺動面のうねりによる動圧特性への影響を小さくすることができる。また、補助用流体循環溝が万一埋まったときでも高圧流体側から流れ込む流体により動圧が発生するため、ロバスト性を高くすることができる。
また、本発明の摺動部品は、第６に、第１ないし３のいずれかの特徴において、前記補助用正圧発生機構は、櫛歯状溝機構から構成され、前記櫛歯状溝機構を構成する補助用の櫛歯状溝は、前記補助用流体循環溝と前記高圧流体側とで囲まれた部分において前記高圧流体側に面して周方向に配設された複数の矩形状のランド部を除いて全面に形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面のうねりによる動圧特性への影響を小さくすることができる。また、補助用流体循環溝が万一埋まったときでも高圧流体側から流れ込む流体により動圧が発生するため、ロバスト性を高くすることができる。キャビテーション発生による析出物が補助用の櫛歯状溝内に溜まることを防止できる。
この特徴によれば、摺動面のうねりによる動圧特性への影響を小さくすることができる。また、補助用流体循環溝が万一埋まったときでも高圧流体側から流れ込む流体により動圧が発生するため、ロバスト性を高くすることができる。キャビテーション発生による析出物が補助用の櫛歯状溝内に溜まることを防止できる。
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）流体循環溝により摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留が防止され、ひいては堆積物の形成が防止され、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持することができる。その際、流体循環溝はランド部により低圧流体側と隔離されているため、流体循環溝から低圧流体側への流体の漏洩を低減できると共に、静止時における漏洩も防止できる。また、同時に、正圧発生機構により、摺動面間の流体膜を増加させることにより潤滑性能を向上させ、摺動面間の流体の循環をより一層促すことができる。
さらに、摺動面の径方向低圧流体側に配設された負圧発生機構により、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を取り込み、流体循環溝を介して高圧流体側に戻し、密封性を向上させることができる。
さらに、摺動面の径方向高圧流体側に配設された補助用流体循環溝により、周方向に隔離された複数の流体循環溝間の摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留を、一層、防止することができる。また、同時に、補助用正圧発生機構により、正圧発生機構の正圧発生領域以外の領域をカバーすることができ、摺動面間の流体の循環を満遍なく促すことができる。
（１）流体循環溝により摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留が防止され、ひいては堆積物の形成が防止され、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持することができる。その際、流体循環溝はランド部により低圧流体側と隔離されているため、流体循環溝から低圧流体側への流体の漏洩を低減できると共に、静止時における漏洩も防止できる。また、同時に、正圧発生機構により、摺動面間の流体膜を増加させることにより潤滑性能を向上させ、摺動面間の流体の循環をより一層促すことができる。
さらに、摺動面の径方向低圧流体側に配設された負圧発生機構により、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体を取り込み、流体循環溝を介して高圧流体側に戻し、密封性を向上させることができる。
さらに、摺動面の径方向高圧流体側に配設された補助用流体循環溝により、周方向に隔離された複数の流体循環溝間の摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留を、一層、防止することができる。また、同時に、補助用正圧発生機構により、正圧発生機構の正圧発生領域以外の領域をカバーすることができ、摺動面間の流体の循環を満遍なく促すことができる。
（２）正圧発生機構は、レイリーステップ機構から構成され、レイリーステップ機構を構成する正圧発生溝は流体循環溝の前記入口部に連通されると共に連通部及び出口部並びに高圧流体側とはランド部により隔離されていることにより、摺動面に適した正圧発生機構を容易に形成することができる。また、正圧発生機構は、流体循環溝の入口部を利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
（３）負圧発生機構は、逆レイリーステップ機構から構成され、逆レイリーステップ機構を構成する負圧発生溝は流体循環溝の入口部に連通され、連通部及び出口部並びに低圧流体側とはランド部により隔離されていることにより、摺動面に適した負圧発生機構を容易に形成することができる。また、負圧発生機構は、流体循環溝の入口部又は連通部を利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
（４）補助用正圧発生機構は、レイリーステップ機構から構成され、レイリーステップ機構を構成する補助用の正圧発生溝は、補助用流体循環溝の入口部に連通されると共に補助用流体循環溝の連通部及び出口部並びに高圧流体側とはランド部により隔離されていることにより、きわめて限られた位置に適した補助用正圧発生機構を容易に形成することができる。また、補助用正圧発生機構は、補助用流体循環溝の入口部を利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
（５）補助用正圧発生機構は、ブロック溝機構から構成され、ブロック溝機構を構成する補助用のブロック溝は、周方向に配設された複数の矩形溝からなり、上流側の矩形溝は補助用流体循環溝の入口部及び高圧流体側に連通されると共に補助用流体循環溝の連通部及び出口部とはランド部により隔離され、他の矩形溝は高圧流体側にのみ連通されていることにより、摺動面のうねりによる動圧特性への影響を小さくすることができる。また、補助用流体循環溝が万一埋まったときでも高圧流体側から流れ込む流体により動圧が発生するため、ロバスト性を高くすることができる。
（６）補助用正圧発生機構は、櫛歯状溝機構から構成され、櫛歯状溝機構を構成する補助用の櫛歯状溝は、補助用流体循環溝と高圧流体側とで囲まれた部分において高圧流体側に面して周方向に配設された複数の矩形状のランド部を除いて全面に形成されていることにより、摺動面のうねりによる動圧特性への影響を小さくすることができる。また、補助用流体循環溝が万一埋まったときでも高圧流体側から流れ込む流体により動圧が発生するため、ロバスト性を高くすることができる。キャビテーション発生による析出物が補助用の櫛歯状溝内に溜まることを防止できる。
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは、特に明示的な記載がない限り、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
図１ないし図３を参照して、本発明の実施例１に係る摺動部品について説明する。
なお、以下の実施例においては、摺動部品の一例であるメカニカルシールを例にして説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外周側を高圧流体側（被密封流体側）、内周側を低圧流体側（大気側）として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、高圧流体側と低圧流体側とが逆の場合も適用可能である。
なお、以下の実施例においては、摺動部品の一例であるメカニカルシールを例にして説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外周側を高圧流体側（被密封流体側）、内周側を低圧流体側（大気側）として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、高圧流体側と低圧流体側とが逆の場合も適用可能である。
図１は、メカニカルシールの一例を示す縦断面図であって、摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする高圧流体側の被密封流体を密封する形式のインサイド形式のものであり、高圧流体側のポンプインペラ（図示省略）を駆動させる回転軸１側にスリーブ２を介してこの回転軸１と一体的に回転可能な状態に設けられた一方の摺動部品である円環状の回転環３と、ポンプのハウジング４に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた他方の摺動部品である円環状の固定環５とが設けられ、固定環５を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング６及びベローズ７によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされた摺動面Ｓ同士で密接摺動するようになっている。すなわち、このメカニカルシールは、回転環３と固定環５との互いの摺動面Ｓにおいて、被密封流体が回転軸１の外周から大気側へ流出するのを防止するものである。
なお、図１では、回転環３の摺動面の幅が固定環５の摺動面の幅より広い場合を示しているが、これに限定されることなく、逆の場合においても本発明を適用出来ることはもちろんである。
なお、図１では、回転環３の摺動面の幅が固定環５の摺動面の幅より広い場合を示しているが、これに限定されることなく、逆の場合においても本発明を適用出来ることはもちろんである。
図２は、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、ここでは、図２の固定環５の摺動面に流体循環溝が形成される場合を例にして説明する。
なお、回転環３の摺動面に流体循環溝が形成される場合も基本的には同様であるが、その場合、流体循環溝は被密封流体側に連通すればよいため、摺動面の外周側まで設けられる必要はない。
なお、回転環３の摺動面に流体循環溝が形成される場合も基本的には同様であるが、その場合、流体循環溝は被密封流体側に連通すればよいため、摺動面の外周側まで設けられる必要はない。
図２において、固定環５の摺動面の外周側が高圧流体側であり、また、内周側が低圧流体側、例えば大気側であり、相手摺動面は反時計方向に回転するものとする。
固定環５の摺動面には、高圧流体側に連通されると共に低圧流体側とは摺動面の平滑部Ｒ（本発明においては、「ランド部」ということがある。）により隔離された流体循環溝１０が周方向に複数設けられている。
固定環５の摺動面には、高圧流体側に連通されると共に低圧流体側とは摺動面の平滑部Ｒ（本発明においては、「ランド部」ということがある。）により隔離された流体循環溝１０が周方向に複数設けられている。
流体循環溝１０は、高圧流体側から入る入口部１０ａ、高圧流体側に抜ける出口部１０ｂ、及び、入口部１０ａ及び出口部１０ｂとを周方向に連通する連通部１０ｃから構成され、低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。流体循環溝１０は、摺動面において腐食生成物などを含む流体が濃縮されることを防止するため、積極的に高圧流体側から被密封流体を摺動面上に導入し排出するという役割を担うものであり、相手摺動面の回転方向に合わせて摺動面上に被密封流体を取り入れ、かつ、排出しやすいように入口部１０ａ及び出口部１０ｂが形成される一方、漏れを低減するため、低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。
なお、本明細書において、「高圧流体側から入る入口部」とは流体循環溝の内径方向に向かう部分を、「高圧流体側に抜ける出口部」とは流体循環溝の外径方向に向かう部分を指すものとして説明する。
なお、本明細書において、「高圧流体側から入る入口部」とは流体循環溝の内径方向に向かう部分を、「高圧流体側に抜ける出口部」とは流体循環溝の外径方向に向かう部分を指すものとして説明する。
また、流体循環溝１０は、摺動面の周方向にランド部Ｒで隔離されて等配に複数設けられるものであり、本例では、４等配に設けられている。
流体循環溝１０は、摺動面の平面視において、摺動面の半径線ｒを基準にして左右略対称の形状に形成され、流体循環溝１０の左右の部分、すなわち、入口部１０ａと出口部１０ｂとのなす高圧流体側における交角αが１２０°〜１８０°の範囲に設定されている。
なお、流体循環溝１０の平面視における形状において、半径線ｒを基準にして必ずしも左右対称の形状である必要はなく、入口部１０ａの交角α１を出口部１０ｂの交角α２より大きくしてもよく、また、その逆であってもよい。
本明細書において、左右略対称という場合、α１＝α２±５゜の範囲を意味する。
なお、流体循環溝１０の平面視における形状において、半径線ｒを基準にして必ずしも左右対称の形状である必要はなく、入口部１０ａの交角α１を出口部１０ｂの交角α２より大きくしてもよく、また、その逆であってもよい。
本明細書において、左右略対称という場合、α１＝α２±５゜の範囲を意味する。
また、交角αとしては、１２０°〜１８０°の範囲が好ましい範囲ではあるが、必ずしも、１２０°〜１８０°の範囲に限定されるものではない。
さらに、流体循環溝１０の平面視における形状において、直線部分のない、全体として曲線状（円弧状など）にしてもよい。
また、流体循環溝１０の幅及び深さは、被密封流体の圧力、種類（粘性）などに応じて最適なものに設定されればよい。
さらに、流体循環溝１０の平面視における形状において、直線部分のない、全体として曲線状（円弧状など）にしてもよい。
また、流体循環溝１０の幅及び深さは、被密封流体の圧力、種類（粘性）などに応じて最適なものに設定されればよい。
流体循環溝１０が設けられた摺動面には、流体循環溝１０と高圧流体側とで囲まれる部分に流体循環溝１０より浅い正圧発生溝１１ａを備える正圧発生機構１１が設けられている。正圧発生機構１１は、正圧（動圧）を発生することにより摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させるものである。
本例では、正圧発生機構１１は、流体循環溝１０の入口部１０ａに連通すると共に出口部１０ｂ及び高圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている正圧発生溝１１ａ及びレイリーステップ１１ｂを備えたレイリーステップ機構から構成されるが、これに限定されることなく、例えば、ダム付きフェムト溝で構成してもよく、要は、正圧を発生する機構であればよい。
正圧発生機構１１は、流体循環溝１０の入口部１０ａを利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
本例では、正圧発生機構１１は、流体循環溝１０の入口部１０ａに連通すると共に出口部１０ｂ及び高圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている正圧発生溝１１ａ及びレイリーステップ１１ｂを備えたレイリーステップ機構から構成されるが、これに限定されることなく、例えば、ダム付きフェムト溝で構成してもよく、要は、正圧を発生する機構であればよい。
正圧発生機構１１は、流体循環溝１０の入口部１０ａを利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
摺動面には、さらに、流体循環溝１０と高圧流体側とで囲まれた部分の外側、すなわち、隣接する流体循環溝１０、１０の間には、流体循環溝１０より浅い負圧発生溝を構成するグルーブ１２ａ及び逆レイリーステップ１２ｂからなる負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構１２が設けられている。
逆レイリーステップ機構１２において、グルーブ１２ａの径方向幅は狭く設定され、摺動面の径方向の低圧流体側寄りに配設される。
グルーブ１２ａは、流体循環溝１０の入口部１０ａ又は連通部１０ｃに連通され、出口部１０ｂ及び低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。
逆レイリーステップ機構１２は、流体循環溝１０の入口部１０ａ又は連通部１０ｃを利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
逆レイリーステップ機構１２において、グルーブ１２ａの径方向幅は狭く設定され、摺動面の径方向の低圧流体側寄りに配設される。
グルーブ１２ａは、流体循環溝１０の入口部１０ａ又は連通部１０ｃに連通され、出口部１０ｂ及び低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。
逆レイリーステップ機構１２は、流体循環溝１０の入口部１０ａ又は連通部１０ｃを利用する形で構成されているため、その製作を簡素化することができる。
なお、レイリーステップ機構及び逆レイリーステップ機構については、後に、詳しく説明する。
さらに、摺動面の複数の流体循環溝１０、１０の間の高圧流体側には、高圧流体側から入る入口部１３ａ、高圧流体側に抜ける出口部１３ｂ、及び、入口部１３ａと出口部１３ｂとを連通する連通部１３ｃから構成される補助用流体循環溝１３が設けられている。補助用流体循環溝１３が設けられる摺動面の径方向幅は、摺動面の径方向幅の約半分程度であるため、流体循環溝１０の場合より、入口部１０ａ及び出口部１０ｂの傾きは急であり、また、入口部１０ａ及び出口部１０ｂの長さも短い。さらに、補助用流体循環溝１３の幅及び深さは、流体循環溝１０と同程度か若干小さくてもよい。
なお、流体循環溝の形状は、流体循環溝１０のような略Ｖ字形、あるいは、補助用流体循環溝１３のような略Ｕ字形のものなど種々の形態を取り得るが、本明細書においては原則として、「高圧流体側から入る入口部」とは流体循環溝の内径方向に向かう部分を、「高圧流体側に抜ける出口部」とは流体循環溝の外径方向に向かう部分を指すものとして説明する。したがって、「入口部と出口部とを連通する連通部」は、きわめて短い場合から相当程度の長さを有する場合がある。
さらに、摺動面の補助用流体循環溝１３と高圧流体側とで囲まれる部分には補助用の正圧発生溝１４ａからなる補助用正圧発生機構１４が設けられる。
補助用正圧発生機構１４は、正圧発生溝１４ａ及びレイリーステップ１４ｂを備えたレイリーステップ機構から構成され、レイリーステップ機構を構成する補助用の正圧発生溝１４ａは、補助用流体循環溝１３の入口部１３ａに連通されると共に出口部１３ｂ及び高圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。
この補助用正圧発生機構１４は、上記のメインのレイリーステップ機構１１に対し、より低速側で動圧が発生しやすい溝深さ、溝幅とするなどして、メインのレイリーステップ機構１１の正圧発生領域以外の領域をカバー等するものである。
補助用正圧発生機構１４は、正圧発生溝１４ａ及びレイリーステップ１４ｂを備えたレイリーステップ機構から構成され、レイリーステップ機構を構成する補助用の正圧発生溝１４ａは、補助用流体循環溝１３の入口部１３ａに連通されると共に出口部１３ｂ及び高圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。
この補助用正圧発生機構１４は、上記のメインのレイリーステップ機構１１に対し、より低速側で動圧が発生しやすい溝深さ、溝幅とするなどして、メインのレイリーステップ機構１１の正圧発生領域以外の領域をカバー等するものである。
ここで、図３を参照しながら、レイリーステップ機構１１（１４）の正圧発生溝１１ａ（１４ａ）の深さと、発生する動圧の関係を簡単に説明する。
図３において、回転環３と固定環５との互いの摺動面Ｓにおける液膜の厚さをｈ０、正圧発生溝１１ａ（１４ａ）の深さと液膜の厚さとの合計をｈｉとすると、
ｍ＝ｈｉ／ｈ０
で表される数値ｍが２〜４のとき、圧力係数Ｋｐが最大となる。
そして、圧力係数Ｋｐが高いほど、レイリーステップ機構１１（１４）で発生される動圧が大きくなる。
図３において、回転環３と固定環５との互いの摺動面Ｓにおける液膜の厚さをｈ０、正圧発生溝１１ａ（１４ａ）の深さと液膜の厚さとの合計をｈｉとすると、
ｍ＝ｈｉ／ｈ０
で表される数値ｍが２〜４のとき、圧力係数Ｋｐが最大となる。
そして、圧力係数Ｋｐが高いほど、レイリーステップ機構１１（１４）で発生される動圧が大きくなる。
以上説明したように、実施例１の構成によれば、流体循環溝１０により摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留が防止され、ひいては堆積物の形成が防止され、長期間にわたり摺動面の密封機能を維持することができる。その際、流体循環溝１０はランド部Ｒにより低圧流体側と隔離されているため、流体循環溝１０から低圧流体側への流体の漏洩を低減できると共に、静止時における漏洩も防止できる。また、同時に、正圧発生機構１１により、摺動面間の流体膜を増加させることにより潤滑性能を向上させ、摺動面間の流体の循環をより一層促すことができる。
さらに、摺動面の径方向低圧流体側に配設された負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構１２により、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体をグルーブ１２ａに取り込み、流体循環溝１０を介して高圧流体側に戻し、密封性を向上させることができる。
さらに、摺動面の径方向高圧流体側に配設された補助用流体循環溝１３により、周方向に隔離された複数の流体循環溝１０、１０間の摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留を、一層、防止することができる。 また、同時に、補助用正圧発生機構１４により、メインのレイリーステップ機構１１の正圧発生領域以外の領域をカバーすることができ、摺動面間の流体の循環を満遍なく促すことができる。
さらに、摺動面の径方向低圧流体側に配設された負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構１２により、高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体をグルーブ１２ａに取り込み、流体循環溝１０を介して高圧流体側に戻し、密封性を向上させることができる。
さらに、摺動面の径方向高圧流体側に配設された補助用流体循環溝１３により、周方向に隔離された複数の流体循環溝１０、１０間の摺動面に流体が積極的に導かれ排出されることにより摺動面間の流体が循環し、堆積物発生原因物質などを含む流体の濃縮および摩耗粉や異物の滞留を、一層、防止することができる。 また、同時に、補助用正圧発生機構１４により、メインのレイリーステップ機構１１の正圧発生領域以外の領域をカバーすることができ、摺動面間の流体の循環を満遍なく促すことができる。
図４を参照して、本発明の実施例２に係る摺動部品について説明する。
実施例２に係る摺動部品は、補助用正圧発生機構の構成が実施例１の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
実施例２に係る摺動部品は、補助用正圧発生機構の構成が実施例１の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図４に示す補助用正圧発生機構１５は、ブロック溝機構から構成され、ブロック溝機構を構成する補助用の正圧発生溝１５ａは、周方向に配設された複数の矩形溝からなり、上流側の矩形溝は補助用流体循環溝１３の入口部１３ａ及び高圧流体側に連通されると共に補助用流体循環溝１３の連通部１３ｃ及び出口部１３ｂとはランド部Ｒにより隔離され、他の矩形溝は高圧流体側にのみ連通されている。
この補助用正圧発生機構１５は、上記のメインのレイリーステップ機構１１に対し、より低速側で動圧が発生しやすい溝深さ、溝形状とするなどして、メインのレイリーステップ機構１１の正圧発生領域以外の領域をカバー等するものである。
通常、摺動面は仕上げても０．２μｍほどのうねりを持っているため、摺動面隙間、すなわち、図３で示す液膜の厚さｈ０も０．２μｍのバラツキを円周で持つことになる。
図２で示すレイリーステップ機構１４の正圧発生溝１４ａの深さが、例えば、０．１μｍとごく浅い場合、ｍ（＝ｈｉ／ｈ０）値は、レイリーステップ機構１４のレイリーステップ１４ｂが円周上のどの位置に設けられるかによって変化してしまうため、発生する動圧もレイリーステップ１４ｂの位置によって変動する。
しかし、本例のように、図２に示すレイリーステップ機構１４に代えて、周方向に複数の矩形溝を配設して複数のランド部を設け、正圧発生部を周方向に分散させれば、摺動面のうねりによる動圧特性への影響を小さくすることができる。また、補助用流体循環溝１３が万一埋まったときでも高圧流体側から流れ込む流体により動圧が発生するため、ロバスト性が高くなる。
図２で示すレイリーステップ機構１４の正圧発生溝１４ａの深さが、例えば、０．１μｍとごく浅い場合、ｍ（＝ｈｉ／ｈ０）値は、レイリーステップ機構１４のレイリーステップ１４ｂが円周上のどの位置に設けられるかによって変化してしまうため、発生する動圧もレイリーステップ１４ｂの位置によって変動する。
しかし、本例のように、図２に示すレイリーステップ機構１４に代えて、周方向に複数の矩形溝を配設して複数のランド部を設け、正圧発生部を周方向に分散させれば、摺動面のうねりによる動圧特性への影響を小さくすることができる。また、補助用流体循環溝１３が万一埋まったときでも高圧流体側から流れ込む流体により動圧が発生するため、ロバスト性が高くなる。
なお、本例では、流体循環溝１０の入口部１０ａ及び出口部１０ｂの溝幅は、それぞれ、入口端及び出口端に向けて徐々に拡張されている。そのため、入口端及び出口端の近傍において被密封流体のよどみは形成されずに一様な流れとなり、効率よい流れが形成される。また、上流側の流体循環溝１０の出口部１０ｂから排出された被密封流体の流れは摺動面の外周壁から離れた位置を周回し、下流側の流体循環溝に再度流入することがないため、被密封流体の濃縮が防止され、流体循環溝内を常に清浄な状態に維持することができる。
図５を参照して、本発明の実施例３に係る摺動部品について説明する。
実施例３に係る摺動部品は、補助用正圧発生機構の構成が実施例２の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例２と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
実施例３に係る摺動部品は、補助用正圧発生機構の構成が実施例２の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例２と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図５に示す補助用正圧発生機構１６は、櫛歯状溝機構から構成され、櫛歯状溝機構を構成する補助用の正圧発生溝１６ａは、補助用流体循環溝１３と高圧流体側とで囲まれた部分において周方向に配設された複数の矩形状のランド部Ｒ１を除いて全面に形成されている。
この補助用正圧発生機構１６は、上記のメインのレイリーステップ機構１１に対し、より低速側で動圧が発生しやすい溝深さ、溝形状とするなどして、メインのレイリーステップ機構１１の正圧発生領域以外の領域をカバー等するものである。
本例のように、図２に示すレイリーステップ機構１４に代えて、周方向に配設された複数の矩形状のランド部Ｒ１を除いて全面に形成された櫛歯状の正圧発生溝１６ａを設け、正圧発生部を周方向に分散させれば、摺動面のうねりによる動圧特性への影響を小さくすることができる。また、補助用流体循環溝１３が万一埋まったときでも高圧流体側から流れ込む流体により動圧が発生するため、ロバスト性が高くなる。
さらに、櫛歯状の正圧発生溝１６ａは、図４に示す補助用正圧発生機構１５のように内周側のランド部がないため、ランド部から櫛歯状の正圧発生溝１６ａにかけてキャビテーションが発生したとしても、キャビテーション発生による析出物が正圧発生溝１６ａから補助用流体循環溝１３に流れ、溝内に溜まることがない。
さらに、櫛歯状の正圧発生溝１６ａは、図４に示す補助用正圧発生機構１５のように内周側のランド部がないため、ランド部から櫛歯状の正圧発生溝１６ａにかけてキャビテーションが発生したとしても、キャビテーション発生による析出物が正圧発生溝１６ａから補助用流体循環溝１３に流れ、溝内に溜まることがない。
次に、図６を参照しながら、レイリーステップ機構などからなる正圧発生機構及び逆レイリーステップ機構などからなる負圧発生機構を、メインのレイリーステップ機構１１及び逆レイリーステップ機構１２を例にして説明する。
図６（ａ）において、相対する摺動部品である回転環３、及び、固定環５が矢印で示すように相対摺動する。例えば、固定環５の摺動面には、相対的移動方向と垂直かつ上流側に面してレイリーステップ１１ｂが形成され、該レイリーステップ１１ｂの上流側には正圧発生溝であるグルーブ部１１ａが形成されている。相対する回転環３及び固定環５の摺動面は平坦である。
回転環３及び固定環５が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環３及び固定環５の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環３または固定環５の移動方向に追随移動しようとするため、その際、レイリーステップ１１ｂの存在によって破線で示すような正圧（動圧）を発生する。
なお、１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、それぞれ、流体循環溝の入口部、出口部、連通部を、また、Ｒはランド部を示す。
図６（ａ）において、相対する摺動部品である回転環３、及び、固定環５が矢印で示すように相対摺動する。例えば、固定環５の摺動面には、相対的移動方向と垂直かつ上流側に面してレイリーステップ１１ｂが形成され、該レイリーステップ１１ｂの上流側には正圧発生溝であるグルーブ部１１ａが形成されている。相対する回転環３及び固定環５の摺動面は平坦である。
回転環３及び固定環５が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環３及び固定環５の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環３または固定環５の移動方向に追随移動しようとするため、その際、レイリーステップ１１ｂの存在によって破線で示すような正圧（動圧）を発生する。
なお、１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、それぞれ、流体循環溝の入口部、出口部、連通部を、また、Ｒはランド部を示す。
図６（ｂ）においても、相対する摺動部品である回転環３、及び、固定環５が矢印で示すように相対摺動するが、回転環３及び固定環５の摺動面には、相対的移動方向と垂直かつ下流側に面して逆レイリーステップ１２ｂが形成され、該逆レイリーステップ１２ｂの下流側には負圧発生溝であるグルーブ部１２ａが形成されている。相対する回転環３及び固定環５の摺動面は平坦である。
回転環３及び固定環５が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環３及び固定環５の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環３または固定環５の移動方向に追随移動しようとするため、その際、逆レイリーステップ１２ｂの存在によって破線で示すような負圧（動圧）を発生する。
なお、１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、それぞれ、流体循環溝の入口部、出口部、連通部を、また、Ｒはランド部を示す。
回転環３及び固定環５が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環３及び固定環５の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環３または固定環５の移動方向に追随移動しようとするため、その際、逆レイリーステップ１２ｂの存在によって破線で示すような負圧（動圧）を発生する。
なお、１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、それぞれ、流体循環溝の入口部、出口部、連通部を、また、Ｒはランド部を示す。
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
例えば、前記実施例では、摺動部品をメカニカルシール装置における一対の回転用密封環及び固定用密封環のいずれかに用いる例について説明したが、円筒状摺動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸と摺動する軸受の摺動部品として利用することも可能である。
また、例えば、前記実施例では、外周側に高圧の被密封流体が存在する場合について説明したが、内周側が高圧流体の場合にも適用できる。
また、例えば、前記実施例では、摺動部品を構成するメカニカルシールの固定環に流体循環溝、正圧発生機構及び負圧発生機構を設ける場合、について説明したが、これとは逆に、回転環に流体循環溝、正圧発生機構及び負圧発生機構を設けてもよい。その場合、流体循環溝は回転環の外周側まで設けられる必要はなく、被密封流体側と連通すればよい。
１ 回転軸
２ スリーブ
３ 回転環
４ ハウジング
５ 固定環
６ コイルドウェーブスプリング
７ ベローズ
１０ 流体循環溝
１１ 正圧発生機構（レイリーステップ機構）
１２ 負圧発生機構（逆レイリーステップ機構）
１３ 補助用流体循環溝
１４ 補助用正圧発生機構
１５ 補助用正圧発生機構
１６ 補助用正圧発生機構
Ｒ ランド部
２ スリーブ
３ 回転環
４ ハウジング
５ 固定環
６ コイルドウェーブスプリング
７ ベローズ
１０ 流体循環溝
１１ 正圧発生機構（レイリーステップ機構）
１２ 負圧発生機構（逆レイリーステップ機構）
１３ 補助用流体循環溝
１４ 補助用正圧発生機構
１５ 補助用正圧発生機構
１６ 補助用正圧発生機構
Ｒ ランド部
Claims (6)
- 一対の摺動部品の互いに相対摺動する摺動面の少なくとも一方側には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されると共に前記摺動面の周方向にランド部で隔離されて複数設けられており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分には正圧発生機構が設けられ、前記複数の流体循環溝の間の低圧流体側には負圧発生機構が設けられ、さらに、前記複数の流体循環溝の間の高圧流体側には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部と前記出口部とを連通する連通部から構成される補助用流体循環溝が設けられ、前記補助用流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分には補助用正圧発生機構が設けられることを特徴とする摺動部品。
- 前記正圧発生機構は、レイリーステップ機構から構成され、前記レイリーステップ機構を構成する正圧発生溝は前記流体循環溝の前記入口部に連通されると共に前記連通部及び出口部並びに前記高圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
- 前記負圧発生機構は、逆レイリーステップ機構から構成され、前記逆レイリーステップ機構を構成する負圧発生溝は前記流体循環溝の前記入口部に連通されると共に前記連通部及び出口部並びに前記低圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部品。
- 前記補助用正圧発生機構は、レイリーステップ機構から構成され、前記レイリーステップ機構を構成する補助用の正圧発生溝は、前記補助用流体循環溝の前記入口部に連通されると共に前記補助用流体循環溝の前記連通部及び出口部並びに前記高圧流体側とはランド部により隔離されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺動部品。
- 前記補助用正圧発生機構は、ブロック溝機構から構成され、前記ブロック溝機構を構成する補助用のブロック溝は、周方向に配設された複数の矩形溝からなり、上流側の矩形溝は前記補助用流体循環溝の前記入口部及び前記高圧流体側に連通されると共に前記補助用流体循環溝の連通部及び出口部とはランド部により隔離され、他の矩形溝は前記高圧流体側にのみ連通されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺動部品。
- 前記補助用正圧発生機構は、櫛歯状溝機構から構成され、前記櫛歯状溝機構を構成する補助用の櫛歯状溝は、前記補助用流体循環溝と前記高圧流体側とで囲まれた部分において前記高圧流体側に面して周方向に配設された複数の矩形状のランド部を除いて全面に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺動部品。
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